Бұл мақалада табиғат күштері деп аталатын нәрсе – іргелі электромагниттік әсерлесу және ол құрылған принциптер қарастырылады. Сондай-ақ осы тақырыпты зерттеудің жаңа тәсілдерінің болу мүмкіндіктері туралы айтылады. Мектепте де физика сабағында оқушылар «күш» ұғымын түсіндіруге тап болады. Олар күштердің әртүрлі болуы мүмкін екенін біледі - үйкеліс күші, тартылыс күші, серпімділік күші және т.б. Олардың барлығын іргелі деп атауға болмайды, өйткені күш құбылысы жиі қайталама (үйкеліс күші, мысалы, молекулалардың өзара әрекеттесуімен) болады. Электромагниттік өзара әрекеттесу екінші ретті болуы мүмкін - соның салдары ретінде. Молекулалық физика мысал ретінде Ван-дер-Ваальс күшін келтіреді. Бөлшектердің физикасы да көптеген мысалдар береді.
Табиғатта
Мен электромагниттік әрекеттесу жұмыс істейтін табиғатта болатын процестердің түбіне жеткім келеді. Ол құрған барлық қосалқы күштерді анықтайтын негізгі күш қандай?Электромагниттік өзара әрекеттесу немесе оны электрлік күштер деп те атайтыны іргелі екенін бәрі біледі. Мұны Максвелл теңдеулерінен шығатын өзіндік жалпылауы бар Кулон заңы дәлелдейді. Соңғысы табиғатта бар барлық магниттік және электрлік күштерді сипаттайды. Сондықтан электромагниттік өрістердің өзара әрекеттесу табиғаттың негізгі күші екені дәлелденді. Келесі мысал - гравитация. Тіпті мектеп оқушылары Исаак Ньютонның бүкіләлемдік тартылыс заңы туралы біледі, ол да жақында Эйнштейн теңдеулері арқылы өзінің жалпылауын алды және оның гравитация теориясына сәйкес табиғаттағы бұл электромагниттік әрекеттесу күші де іргелі болып табылады.
Бір кездері тек осы екі іргелі күш бар деп есептелді, бірақ ғылым алға жылжып, мұның мүлдем олай емес екенін бірте-бірте дәлелдеді. Мысалы, атом ядросының ашылуымен ядролық күш деген ұғымды енгізу қажет болды, әйтпесе бөлшектерді ядроның ішінде ұстау принципін қалай түсінуге болады, олар неліктен әртүрлі бағытта ұшып кетпейді. Электромагниттік күштің табиғатта қалай жұмыс істейтінін түсіну ядролық күштерді өлшеуге, зерттеуге және сипаттауға көмектесті. Алайда, кейінірек ғалымдар ядролық күштер екінші дәрежелі және ван-дер-Ваальс күштеріне көп жағынан ұқсас деген қорытындыға келді. Шын мәнінде, кварктардың бір-бірімен әрекеттесу арқылы қамтамасыз ететін күштері ғана шын мәнінде негізгі болып табылады. Содан кейін қазірдің өзінде - қайталама әсер - ядродағы нейтрондар мен протондар арасындағы электромагниттік өрістердің әрекеттесуі. Шынында да, глюондарды алмастыратын кварктардың өзара әрекеттесуі. Осылайша болдытабиғатта ашылған үшінші шын мәнінде негізгі күш.
Осы оқиғаның жалғасы
Элементар бөлшектер ыдырайды, ауырлары - жеңілірекке айналады, ал олардың ыдырауы электромагниттік әсерлесудің жаңа күшін сипаттайды, ол дәл осылай аталады - әлсіз әсерлесу күші. Неліктен әлсіз? Иә, өйткені табиғаттағы электромагниттік әсерлесу әлдеқайда күшті. Тағы да, әлемнің суретіне соншалықты үйлесімді енген және бастапқыда элементар бөлшектердің ыдырауын тамаша сипаттаған бұл әлсіз әрекеттесу теориясы, егер энергия өссе, сол постулатты көрсетпейтіні белгілі болды. Сондықтан ескі теория басқа – әлсіз өзара әрекеттесу теориясына қайта өңделді, бұл жолы әмбебап болып шықты. Ол бөлшектердің электромагниттік әрекеттесуін сипаттайтын басқа теориялар сияқты бірдей принциптерге құрылғанымен. Қазіргі заманда төрт зерттелген және дәлелденген іргелі өзара әрекеттесулер бар, ал бесіншісі жолда, ол кейінірек талқыланады. Барлық төртеуі - гравитациялық, күшті, әлсіз, электромагниттік - бір принципке құрылған: бөлшектер арасында пайда болатын күш тасымалдаушы немесе басқаша - өзара әрекеттесу медиаторы жүзеге асыратын кейбір алмасудың нәтижесі болып табылады.
Бұл қандай көмекші? Бұл фотон - массасы жоқ бөлшек, бірақ соған қарамастан электромагниттік толқындардың кванты немесе жарық кванты алмасуының арқасында электромагниттік өзара әрекеттесу сәтті құрылады. Электромагниттік әрекеттесу жүзеге асырыладыбелгілі бір күшпен байланысатын зарядталған бөлшектер өрісіндегі фотондар арқылы Кулон заңы дәл осылай түсіндіреді. Тағы бір массасы жоқ бөлшек бар - глюон, оның сегіз түрі бар, ол кварктардың байланысуына көмектеседі. Бұл электромагниттік әрекеттесу зарядтар арасындағы тартылыс болып табылады және ол күшті деп аталады. Иә, және әлсіз өзара әрекеттесу делдалдарсыз аяқталмайды, олар массасы бар бөлшектер, сонымен қатар олар массивті, яғни ауыр. Бұлар аралық вектор бозондары. Олардың массасы мен ауырлығы өзара әрекеттесу әлсіздігін түсіндіреді. Гравитациялық күш тартылыс өрісінің кванттық алмасуын тудырады. Бұл электромагниттік өзара әрекеттесу бөлшектердің тартылуы болып табылады, ол әлі жеткілікті зерттелмеген, гравитон әлі тәжірибе жүзінде анықталған жоқ, ал кванттық гравитация бізбен толық сезілмейді, сондықтан біз оны әлі сипаттай алмаймыз.
Бесінші күш
Біз іргелі әсерлесудің төрт түрін қарастырдық: күшті, әлсіз, электромагниттік, гравитациялық. Өзара әрекеттесу - бұл бөлшектердің белгілі бір алмасу актісі және симметрия түсінігінсіз мүмкін емес, өйткені онымен байланысты емес өзара әрекеттесу жоқ. Бөлшектердің санын және олардың массасын анықтайтын ол. Нақты симметрия кезінде масса әрқашан нөлге тең болады. Сонымен, фотон мен глюонның массасы жоқ, ол нөлге тең, ал гравитонның массасы жоқ. Ал егер симметрия бұзылса, масса нөл болуды тоқтатады. Осылайша, аралық вектор бизонының массасы бар, өйткені симметрия бұзылған. Осы төрт негізгі өзара әрекеттесу бәрін түсіндіредікөреміз және сезінеміз. Қалған күштер олардың электромагниттік әрекеттесуінің екінші ретті екенін көрсетеді. Алайда 2012 жылы ғылымда жаңалық болып, бірден танымал болған тағы бір бөлшек табылды. Ғылым әлеміндегі революция Хиггс бозонының ашылуымен ұйымдастырылды, ол сонымен бірге лептондар мен кварктардың өзара әрекеттесуінің тасымалдаушысы қызметін атқарады.
Сондықтан қазір физиктер Хиггс бозоны арқылы бесінші күш пайда болды деп айтуда. Мұнда да симметрия бұзылған: Хиггс бозонының массасы бар. Осылайша, өзара әрекеттесу саны («күш» сөзі қазіргі бөлшектер физикасында осы сөзбен ауыстырылады) беске жетті. Мүмкін, біз жаңа ашылымдарды күтетін шығармыз, өйткені біз олардан басқа өзара әрекеттесулердің бар-жоғын білмейміз. Дүниеде байқалатын барлық құбылыстарды тамаша түсіндіретіндей көрінетін, біз қазірдің өзінде құрастырған және бүгін қарастырып жатқан модельдің толық емес болуы әбден мүмкін. Мүмкін, біраз уақыттан кейін жаңа өзара әрекеттесулер немесе жаңа күштер пайда болады. Мұндай ықтималдық, егер біз бүгінде белгілі іргелі өзара әрекеттесулер бар екенін бірте-бірте білгендіктен ғана бар - күшті, әлсіз, электромагниттік, гравитациялық. Өйткені, егер табиғатта ғылыми әлемде айтылып жүрген суперсимметриялық бөлшектер болса, онда бұл жаңа симметрияның болуын білдіреді, ал симметрия әрқашан жаңа бөлшектердің, олардың арасындағы делдалдардың пайда болуына әкеледі. Осылайша, біз бұрын беймәлім іргелі күш туралы естиміз, өйткені біз бір кездері бұл туралы таң қалдырдықмысалы, электромагниттік, әлсіз әрекеттесу бар. Біздің табиғатымыз туралы біліміміз өте толық емес.
Байланыс
Ең қызығы, кез келген жаңа әрекеттестік міндетті түрде мүлде белгісіз құбылысқа алып келуі керек. Мысалы, егер біз әлсіз өзара әрекеттесу туралы білмесек, біз ешқашан ыдырауды ашпас едік, ал егер ыдырау туралы біліміміз болмаса, ядролық реакцияны зерттеу мүмкін болмас еді. Ал егер біз ядролық реакцияларды білмесек, күннің бізге қалай жарқырайтынын түсінбес едік. Өйткені, ол жарқырамаса, жер бетінде тіршілік қалыптаспас еді. Сондықтан өзара әрекеттестіктің болуы оның өмірлік маңызды екенін айтады. Егер күшті әсерлесу болмаса, тұрақты атом ядролары да болмас еді. Электромагниттік әсерлесудің арқасында Жер Күннен энергия алады, ал одан түсетін жарық сәулелері планетаны жылытады. Және бізге белгілі барлық өзара әрекеттесулер өте қажет. Міне, мысалы, Хиггс. Хиггс бозоны өріспен әрекеттесу арқылы бөлшекті массамен қамтамасыз етеді, онсыз біз аман қалмас едік. Ал гравитациялық өзара әрекеттесусіз планетаның бетінде қалай қалуға болады? Бұл біз үшін ғана емес, мүлдем мүмкін емес еді.
Мүлдем барлық өзара әрекеттесулер, тіпті біз әлі білмейтіндер де, адамзат білетін, түсінетін және өмір сүруді жақсы көретін барлық нәрсе үшін қажеттілік болып табылады. Біз нені білмейміз? Иә, көп. Мысалы, біз протонның ядрода тұрақты екенін білеміз. Бұл біз үшін өте маңызды.тұрақтылық, әйтпесе өмір бұрынғыдай болмас еді. Дегенмен, тәжірибелер протонның өмір сүруі уақытпен шектелген шама екенін көрсетеді. Ұзақ, әрине, 1034 жыл. Бірақ бұл ерте ме, кеш пе протонның да ыдырайтынын білдіреді және бұл үшін қандай да бір жаңа күш, яғни жаңа әрекеттесу қажет болады. Протонның ыдырауына қатысты жаңа, әлдеқайда жоғары симметрия дәрежесі болжанатын теориялар қазірдің өзінде бар, бұл жаңа өзара әрекеттесу болуы мүмкін дегенді білдіреді, ол туралы біз әлі ештеңе білмейміз.
Үлкен біріктіру
Табиғат бірлігінде, барлық іргелі өзара әрекеттесуді құрудың бірден-бір принципі. Көптеген адамдарда олардың саны және осы нақты санның себептерін түсіндіру туралы сұрақтар туындайды. Мұнда көптеген нұсқалар салынған және олар жасалған қорытындылар тұрғысынан өте ерекшеленеді. Олар дәл осындай бірқатар іргелі өзара әрекеттесулердің болуын әртүрлі жолдармен түсіндіреді, бірақ олардың барлығы дәлелдемелерді құрудың бір принципімен шығады. Зерттеушілер әрқашан өзара әрекеттесулердің ең алуан түрлерін біріктіруге тырысады. Сондықтан мұндай теорияларды Ұлы біріктіру теориялары деп атайды. Дүниежүзілік ағаш бұтақтары сияқты: бұтақтар көп, бірақ діңі әрқашан бір.
Барлығы осы теориялардың барлығын біріктіретін идея болғандықтан. Барлық белгілі өзара әрекеттесулердің түбірі бір діңді қоректендіреді, олар симметрияны жоғалту нәтижесінде тармақтала бастады және әртүрлі іргелі өзара әрекеттесулерді қалыптастырады, біз оларды тәжірибе жүзінде жасай аламыз.байқау. Бұл гипотезаны әлі сынау мүмкін емес, өйткені ол бүгінгі эксперименттерге қол жетпейтін керемет жоғары энергиялық физиканы қажет етеді. Сондай-ақ, біз бұл энергияларды ешқашан игере алмауымыз мүмкін. Бірақ бұл кедергіден өту әбден мүмкін.
Пәтер
Бізде Ғалам бар, осы табиғи үдеткіш және онда болып жатқан барлық процестер барлық белгілі өзара әрекеттесулердің ортақ тамырына қатысты ең батыл гипотезаларды сынауға мүмкіндік береді. Табиғаттағы өзара әрекеттесуді түсінудің тағы бір қызықты міндеті, мүмкін, одан да қиын. Гравитацияның табиғаттың қалған күштерімен қандай байланысы бар екенін түсіну қажет. Бұл іргелі өзара әрекеттесу, бұл теория құрылыс принципі бойынша басқалардың бәріне ұқсас болғанына қарамастан, бір-бірінен ерекшеленеді.
Эйнштейн тартылыс теориясымен айналысып, оны электромагнетизммен байланыстыруға тырысты. Бұл мәселені шешу шындық болып көрінгенімен, теория сол кезде жұмыс істемеді. Енді адамзат сәл көбірек біледі, кез келген жағдайда біз күшті және әлсіз өзара әрекеттесулер туралы білеміз. Ал егер қазір осы біртұтас теорияны құруды аяқтайтын болса, онда білімнің жетіспеушілігі қайтадан әсер ететіні сөзсіз. Осы уақытқа дейін гравитацияны басқа өзара әрекеттесулермен теңестіру мүмкін болмады, өйткені барлығы кванттық физика айтқан заңдарға бағынады, бірақ гравитация олай емес. Кванттық теорияға сәйкес, барлық бөлшектер белгілі бір өрістің кванттары болып табылады. Бірақ кванттық гравитация жоқ, кем дегенде әлі жоқ. Дегенмен, қазірдің өзінде ашық өзара әрекеттесулердің саны бұл мүмкін емес екенін қатты қайталайдыбіртұтас схема болуы.
Электр өрісі
1860 жылы ХІХ ғасырдың ұлы физигі Джеймс Максвелл электромагниттік индукцияны түсіндіретін теория жасай алды. Уақыт өте келе магнит өрісі өзгергенде, кеңістіктің белгілі бір нүктесінде электр өрісі пайда болады. Ал егер осы өрісте тұйық өткізгіш табылса, онда электр өрісінде индукциялық ток пайда болады. Максвелл өзінің электромагниттік өрістер теориясымен кері процестің де болуы мүмкін екенін дәлелдейді: егер сіз кеңістіктің белгілі бір нүктесінде электр өрісін уақытында өзгертсеңіз, міндетті түрде магнит өрісі пайда болады. Бұл магнит өрісінің уақытының кез келген өзгерісі өзгермелі электр өрісінің пайда болуына, ал электр өрісінің өзгеруі өзгеретін магнит өрісін тудыруы мүмкін екенін білдіреді. Бұл айнымалылар, бірін-бірі тудыратын өрістер бір өрісті – электромагнитті ұйымдастырады.
Максвелл теориясының формулаларынан туындайтын ең маңызды нәтиже – электромагниттік толқындардың, яғни уақыт пен кеңістікте таралатын электромагниттік өрістердің бар екендігін болжау. Электромагниттік өрістің көзі – үдеумен қозғалатын электр зарядтары. Дыбыстық (серпімді) толқындардан айырмашылығы, электромагниттік толқындар кез келген затта, тіпті вакуумде де тарай алады. Вакуумдағы электромагниттік әсерлесу жарық жылдамдығымен таралады (c=секундына 299 792 километр). Толқын ұзындығы әртүрлі болуы мүмкін. Он мың метрден 0,005 метрге дейінгі электромагниттік толқындарбізге ақпаратты беру үшін қызмет ететін радиотолқындар, яғни ешқандай сымсыз белгілі бір қашықтыққа сигналдар. Радиотолқындар антеннада ағып жатқан жоғары жиіліктердегі ток арқылы жасалады.
Толқындар қандай
Егер электромагниттік сәулеленудің толқын ұзындығы 0,005 метрден 1 микрометрге дейін болса, яғни радиотолқындар мен көрінетін жарық арасындағы диапазондағылар инфрақызыл сәулелену болып табылады. Оны барлық қыздырылған денелер шығарады: батареялар, пештер, қыздыру шамдары. Арнайы құрылғылар тіпті абсолютті қараңғылықта да оны шығаратын объектілердің кескіндерін алу үшін инфрақызыл сәулеленуді көрінетін жарыққа айналдырады. Көрінетін жарық 770-ден 380 нанометрге дейінгі толқын ұзындығын шығарады, нәтижесінде қызылдан күлгінге дейін түс болады. Спектрдің бұл бөлімі адам өмірі үшін өте маңызды, өйткені біз әлем туралы ақпараттың үлкен бөлігін көру арқылы аламыз.
Егер электромагниттік сәулеленудің толқын ұзындығы күлгінге қарағанда қысқа болса, бұл патогендік бактерияларды өлтіретін ультракүлгін. Рентген сәулелері көзге көрінбейді. Олар көрінетін жарыққа мөлдір емес зат қабаттарын дерлік сіңірмейді. Рентген сәулесі адам мен жануарлардың ішкі ағзаларының ауруларын анықтайды. Егер электромагниттік сәулелену элементар бөлшектердің әрекеттесуінен туындаса және қозған ядролар шығарса, гамма-сәулелену алынады. Бұл электромагниттік спектрдегі ең кең диапазон, себебі ол жоғары энергиялармен шектелмейді. Гамма-сәулелену жұмсақ және қатты болуы мүмкін: атом ядроларының ішіндегі энергия ауысуы -жұмсақ, ал ядролық реакцияларда – қатты. Бұл кванттар молекулаларды, әсіресе биологиялық заттарды оңай бұзады. Бақытымызға орай, гамма-сәулелену атмосферадан өте алмайды. Гамма сәулелерін ғарыштан байқауға болады. Өте жоғары энергияларда электромагниттік әсерлесу жарық жылдамдығына жақын жылдамдықпен таралады: гамма кванттар атомдардың ядроларын ұсақтап, оларды әртүрлі бағытта ұшатын бөлшектерге бөледі. Тежеу кезінде олар арнайы телескоптар арқылы көрінетін жарық шығарады.
Өткеннен болашаққа
Электромагниттік толқындарды, жоғарыда айтылғандай, Максвелл болжаған. Ол магниттік және электрлік құбылыстарды бейнелейтін Фарадейдің сәл аңғал суреттерін мұқият зерттеп, математикалық тұрғыдан сенуге тырысты. Симметрияның жоқтығын Максвелл ашты. Ол бірнеше теңдеулер арқылы айнымалы электр өрістерінің магниттік өрістерді тудыратынын және керісінше дәлелдей алды. Бұл оны мұндай өрістер өткізгіштерден бөлініп, вакуум арқылы қандай да бір үлкен жылдамдықпен қозғалады деген идеяға әкелді. Және ол мұны түсінді. Жылдамдығы секундына үш жүз мың шақырымға жуық болды.
Теория мен эксперимент осылай өзара әрекеттеседі. Мысал ретінде біз электромагниттік толқындардың бар екендігі туралы білдік. Физиканың көмегімен оған толығымен гетерогенді ұғымдар біріктірілді - магнетизм және электр, өйткені бұл бір ретті физикалық құбылыс, оның әртүрлі жақтары өзара әрекеттесуде. Теориялар бірінен соң бірі құрылады және барлығыолар бір-бірімен тығыз байланысты: электроәлсіз әрекеттесу теориясы, мысалы, әлсіз ядролық және электромагниттік күштер бір позициядан сипатталған болса, онда мұның бәрі күшті және электр әлсіз әрекеттесулерді қамтитын кванттық хромодинамикамен біріктіріледі (мұнда дәлдік әлі де төмен, бірақ жұмыс жалғасуда). Физиканың кванттық гравитация және жолдар теориясы сияқты салалары қарқынды зерттелуде.
Қорытынды
Бізді қоршаған кеңістік толығымен электромагниттік сәулеленумен өтеді екен: бұл жұлдыздар мен Күн, Ай және басқа аспан денелері, бұл Жердің өзі және адамның қолындағы әрбір телефон., және радиостанция антенналары - мұның бәрі электромагниттік толқындарды шығарады, басқаша аталады. Нысан шығаратын тербеліс жиілігіне қарай инфрақызыл сәулелер, радиотолқындар, көрінетін жарық, биоөріс сәулелері, рентген сәулелері және т.б. бөлінеді.
Электромагниттік өріс тараған кезде ол электромагниттік толқынға айналады. Бұл молекулалар мен атомдардың электр зарядтарының ауытқуын тудыратын жай ғана сарқылмайтын энергия көзі. Ал егер заряд тербелсе, оның қозғалысы жеделдейді, сондықтан электромагниттік толқын шығарады. Егер магнит өрісі өзгерсе, құйынды электр өрісі қозғалады, ол өз кезегінде құйынды магнит өрісін қоздырады. Процесс кеңістікте өтіп, бір нүктеден екіншісін қамтиды.
